酵母中海藻糖提取纯化工艺设计生物工程设备与分离技术毕业论文

吉林工程技术师范学院食品工程学院课程设计课程名称：生物工程设备与分离技术班级：生物工程10411TPM酵母中海藻糖提取纯化工艺设计目录目录 (I)第一章项目总论 (1)1.1海藻糖概述 (1)1.1.1 海藻糖的性质 (1)1.1.2 海藻糖的生理功能 (1)1.1.3 海藻糖的应用前景 (2)1.2 海藻糖的生产工艺 (2)1.2.1 酵母中海藻糖的提取纯化工艺 (3)第二章技术方案 (4)2.1 产品方案 (4)2.2生产工艺流程设计 (5)2.3生产工艺过程说明 (6)2.3.1 乙醇提取 (6)2.3.2 冷却离心 (6)2.3.3 浓缩 (6)2.3.4 活性炭脱色脱蛋白 (6)2.3.5 离子交换 (6)2.3.6 浓缩结晶 (6)2.3.7 过滤干燥 (6)2.4 物料衡算 (7)2.4.1 技术参数 (7)2.4.2 计算 (7)第三章设备选型 (9)3.1 热回流提取罐 (9)3.2 离心机 (9)3.3 浓缩罐 (9)3.4 离子交换设备 (9)3.5 干燥机 (9)第四章防污措施 (11)4.1 车间环境卫生 (111)4.2 废水处理 (11)4.3 废渣处理 (11)第五章结语 (12)参考文献 (13)第一章项目总论1.1 海藻糖概述1.1.1 海藻糖的性质海藻糖叉名茧蜜糖，蘑菇糖，漏芦糖或蕈糖，是在动物、植物、微生物中广泛分布的一种低聚糖。

它是由两分子的吡哺葡萄糖单体以a，a-1，1糖苷键连接而成，其化学式为a—D-吡喃葡萄糖基一a—D一吡喃葡萄糖苷，分子式为C12H22O11·H2O相对分子量为378．33。

其结构式如图1.1图1.1海藻糖是白色晶体，带有两分子结晶水，当加热到130"C时，海藻糖失去结品水，变成无水晶体。

海藻糖溶于水、冰醋酸和热乙醇中。

其水溶液性质稳定，无色无嗅，口感咯带甜昧，它不会焦化。

它对热、酸都十分稳定，是天然双糖中最稳定的糖质。

由于不具有还原性，即使与氧基酸、蛋白质等混合加热也不会产生美拉德反麻引起的着色反应。

海藻糖几乎不被一般的酶分解，只被具有特异性的海藻糖酶水解。

1.1.2 海藻糖的生理功能海藻糖不仅具有优良的理化性质，它还具有优于其他双糖的独特的生物学功能内源性的海藻糖可以有效地保护生物免受外界恶劣条件的侵害，外源性的海藻糖同样对生物体具有保护作用，这种保护作用是非特异性的。

内源性海藻糖，不仅可以作为生物体内的能量储备，也可以保护体内细胞免受外界恶劣条件的侵害，主要表现在当生物细胞处于营养饥饿、高温干燥缺氧或冷冻等各种胁迫环境时，生物细胞内开始积累海藻糖，并利用其特殊的生物学特性，对生物细胞进行保护。

科学研究表明，海藻糖是生物体应对环境压力的一种应激代谢产物，很多物种对外界恶劣环境所表现出的抗逆耐受力，与机体胞内海藻糖的变化有着直接的关系。

外源性的海藻糖同样也可以保护细胞和生命大分子对蛋白质变性具有保护作用和保水作用。

外加海藻糖能在许多生物处于异常条件下，如冷冻、低温或常温干燥时，有效地保护生物膜、蛋白质等的结构，维持生物体其本来的结构、性状和功能，海藻糖这种非特异性保护功能促使科技工作者争先进行对海藻糖的研究与开发。

海藻糖保护生物分子的机制有三种：水替代、玻璃态转换及优先排阻假说。

这三种作用机制并不是相互排斥的，而是它们对海藻糖的稳定作用机制的解释都有贡献。

目前对海藻糖这种特殊的保护机-制是一个研究热点。

1.1.3 海藻糖的应用前景随着海藻糖生产的不断发展，生产成本的不断降低，海藻糖的各种性能逐步被人们所认识，其应用领域也越来越广。

海藻糖的优良品质和性能使他在食品、保健品、医药、化妆品、农业等方面有着广泛的用途。

在食品方面主要利用海藻糖具有的非还原性、保湿性、耐冻性、耐干燥性以及良好的味，可以用来防止因干燥或冷冻引起的变性，或和其他甜味剂混合使用作为食品的甜味剂降低产生龋齿的副作用，还可作为一些调料、食品的品质改良剂和调味剂。

保健品方面主要采用海藻糖做冻干保护剂，它可以大大提高菌的冻干存活率，能使冻干制品在常温下长时间保存，大幅度延氏其保持期。

另外，海藻糖可改善骨质疏松症。

医药方面应用主要是作为试剂和诊断药的稳定剂．如可用于移植器官的贮存，激素、生物制剂、抗生素、维生素、酶以及各种易失活物质的稳定剂，也可用于牙膏、内服药、糖衣片等作为甜味剂、品质改良剂和稳定剂，它有降血糖、保肝等作用，还可制成衍生物用丁抗癌剂、抗肿瘤剂中。

化妆品方面主要是应用海藻糖的衍生物，海藻糖本身具有的保湿性已被确认为新的化妆品原料，用于皮肤化妆品中，可抑制皮肤的干燥，也可用于口腔清凉剂、口腔芳香剂等。

在农业领域，通过生物T程技术完全有可能将海藻糖的转基因植物培育成抗旱转基因植物。

1.2 海藻糖的生产工艺无论是酶转化法还是微生物抽提法生产海藻糖在我国均处于起步阶段。

相对而言，以酵母为原料生产海藻糖的技术在国内较为成熟。

中国科学院已经开发出了培养海藻糖高产酵母菌并从中提取精制海藻糖的专利。

大连理工大学、无锡轻工业大学、华东理工大学等高校也对从酵母生产海藻糖的工艺进行了研究，并取得了很多成果。

但是目前从活性干酵母中抽提海藻糖的工艺仍存在工艺复杂，成本较高等缺点，限制了海藻糖的大规模工业生产。

而酶法生产海藻糖在我国仍处于理论研究阶段。

因此工业化生产海藻糖在我国仍然是一个空缺，如何简化工艺降低成本，建立成熟的海藻糖工业化生产工艺成为目前人们研究的重点。

1.2.1 酵母中海藻糖的提取纯化工艺1.提取工艺乙醇(水)提取法：在乙醇（水）的共同作用下使酵母细胞破碎，海藻糖从破碎的细胞的中释放出来，同时高温和乙醇能够抑制从液泡中释放出来能将海藻糖水解为葡萄糖的海藻糖酶。

微波辅助法：以水作为提取溶剂，将酵母配制成一定浓度悬液，先经微波破壁处理一段时间后，使细胞内存在的海藻糖酶变性失活，破坏酵母细胞的结构，再进行水浴搅拌提取一段时间，从而促进酵母细胞内海藻糖快速溶出，增加海藻糖得率的一种破壁提取方法2.纯化工艺（1）脱蛋白热变性法脱蛋白：热变性法脱除蛋白是利用蛋白质在高温下变性，溶解度降低的原理，对海藻糖提取液进行加热，低温冷却后离心，从而脱除海藻糖提取液中蛋白质。

碱金属除蛋白：碱金属除蛋白的方法是加入一定量10％(质量分数)的ZnSO一溶液，4溶液，凋节pH为8，离心屙收集上清液；重金属除蛋白的方法是直再滴加饱和的Ba(OH)2接向溶液中加入适量的醋酸钳，离心后收集上清液。

活性炭脱蛋白：吸附作用是吸附过程中由吸附剂表面与被吸附物质分r之间的范德华力引起。

这种吸附作用的选择性很人，在高温F吸附最反而降低，吸附过程中能量变动较小，因而容易解吸。

活性炭颗粒的大小对吸附能力有影响。

一般来说，活性炭颗粒越小，过滤而秘越大，所以粉末状的活性炭的总面积最大，吸附效果最佳。

（2）采用离子交换树脂对海藻糖提取液进行处理除去溶液中的杂质盐类及色素。

经活性炭处理过后的海藻糖提取液中含有大量的的盐类及少量色，为了达到较好的脱色效果需要采用离子交换。

（3）结晶冷却结晶：冷却的过程基本上不去除溶剂，而使溶液冷却降温，成为过饱和溶液。

此法适于溶解度随温度的降低而显著下降的物系。

冷却法一般可分为自然冷却，间壁冷却或直接解除冷却。

此方法的优点在于设备要求不高、耗能小、缺点是生产效率低。

蒸发法：蒸发法是除去一部分溶剂的结晶法，它使溶液在加压、减压下加热蒸发而浓缩以达到过饱和。

此法主要适用于溶解度随温度变化不大的物系或具有逆溶解度的物质。

蒸发法结品消耗的热能最多，加热面的结垢问题也会使操作遇到困难。

真空冷却法：蒸发法是使溶剂在真空下闪蒸而绝热冷却，实质上是冷却及去除一部分溶剂的浓缩两种效应来产生过饱和度。

此法适用于溶解系数中等的物质。

这种方法所用的主体设备比较简单，操作稳定。

盐析法：向物系中加入某些物质，来降低溶质在溶剂中的溶解度。

可在不纯的混合水溶液中加入适当溶剂(如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮)以制取纯的物质。

值得注意是，所加物质要能溶解于原溶液的溶剂中，但又不溶解被结晶的物质，而且在有必要时溶剂与稀释剂的混合物易于分离。

第二章技术方案2.1 产品方案1.提取方案我们选用乙醇法分离提取，微波处理法时间比较久，而且处理后得到的海藻糖得率和乙醇法相差不大，微波处理法适合实验室来提取，而且经济方面也不划算，对于工厂生产适合用乙醇提取，提取率达5.548%。

2.纯化方案（1）研究表明采用碱金属(重金属)除蛋白会造成环境的污染且成本很高，热变性除蛋白温度控制对于大型生产不方便，而且耗能多，活性炭是一种强力高效而且廉价的吸附剂和脱色剂。

它可以对海藻糖提取液进行脱色脱蛋白的同步处理。

活性炭是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料．通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加下制造而成，它的污染危害要小的多，它可以有选择地吸附气相、液相中的各种杂质，以达到脱色精制，去污提纯的目的。

因此我们选用活性炭进行脱色，脱色率达82.99%。

（2）通过树脂的静态筛选，为了达到完全脱除阴阳离子的目的, 提高精制效果, 采用混合床。

D001大孔强酸性阳离子树脂与D201大孔强碱性阴离子树脂分别组成混合床。

脱色率达90.09%。

离子交换脱盐率98.18%。

（3）结晶选用向溶液中加入乙醇来结晶，海藻糖极易溶于水，但它在水中的溶解度随温度变化不敏感冈此冷却法不适用。

蒸发结晶也不适用于海藻糖，囚为过高的煮糖温度有可能会发生褐变反应，产生的焦糖色素不仅影响外观，还可能阻滞结晶，影响纯度。

同时作为绝人多数生物药晶和食品成分的保护剂，过多的杂质显然也不允许，因此加入盐类的盐析也是不行的。

反应结晶显然也不适用。

海藻糖虽然极易溶于水．但在乙醇中的溶解度很小，因此可以采用加入乙醇使海藻糖析出的结晶方法。

一般海藻糖提取液中的海藻糖浓度较低，因此可用减压蒸馏的方法浓缩，再加入乙醇用盐析法结晶。

2.2生产工艺流程设计生产工艺流程图如下2.3.1乙醇提取取干酵母加入体积分数40%乙醇溶液，其料液比为1:7，在80℃恒温水浴中, 回流10min,提取海藻糖。

2.3.2 冷却离心提取液先冷却至室温，再离心分离，在3000r/min下离心分离15min，使固液分离，倾出上清液。

2.3.3 浓缩将所得到的纯海藻糖溶液通入到浓缩罐中，对其进行加热蒸发处理，除去其中的水分，浓缩海藻糖，得到粗产品海藻糖。

2.3.4 活性炭脱色脱蛋白将海藻糖提取液的调节PH调为4.0,加入活性炭混合均匀，活性炭用量为1g/L,在80℃水浴中反应40min,期间不断地搅拌，蛋白脱除率达82.88%。

2.3.5 离子交换树脂选用D001 大孔强酸性阳离子树脂与D201大孔强碱性阴离子树脂分别组成混合床，以体积比 2 ∶1的组成分别装柱，除去各种离子杂质（包括离子型色素），样品流速为2 mL/min，用蒸馏水洗涤交换柱，收集洗脱液。